pn结
pn结的工作原理
pn结的工作原理一、什么是pn结1.定义pn结是一种由P型半导体和N型半导体组成的二极管结构。
P型半导体具有正电荷的空穴载流子，N型半导体具有负电荷的电子载流子。
两者结合后，形成了本征层，而本征层呈电荷中性。
2.结构pn结由两片半导体材料组成，P型半导体和N型半导体通过特殊的工艺结合在一起。
在结合的区域，形成了本征层，同时还有一个称为空间电荷区的区域。
二、pn结的原理1.形成势垒当P型半导体和N型半导体结合时，由于P型半导体和N型半导体中载流子的扩散运动，使得少数载流子相对集中在交界处。
同时，在交界处由于少数载流子的扩散，会形成势垒，即电子从N型半导体向P型半导体扩散，空穴从P型半导体向N型半导体扩散。
这种电子和空穴的扩散使得按钮状端面带有外场，形成空间电荷区。
2.势垒的作用势垒在pn结中起到重要的作用。
2.1 阻止电流势垒可以阻止电子和空穴的进一步扩散，使得载流子的浓度达到一种动态平衡。
2.2 产生电场势垒中存在电场，该电场方向从N型半导体指向P型半导体。
这个电场会使得在内部电场力的作用下，N型半导体的电子向P型半导体靠拢，P型半导体的空穴向N型半导体靠拢。
这种聚集的现象形成了电势差，也就是势垒。
2.3 形成平衡当势垒形成时，形成的电场会产生一个与扩散电流方向相反的漂移电流。
当扩散电流和漂移电流平衡时，达到动态稳定状态，此时的电流为零。
3.正向偏置当外界电压为正向时，即P端为正，N端为负，这种情况下势垒会减小，电子和空穴有利于向势垒方向扩散，增大电流。
正向偏置下的pn结相当于一个导通的开关。
4.反向偏置当外界电压为反向时，即P端为负，N端为正，势垒会增大，阻止电子和空穴的扩散。
反向偏置下的pn结相当于一个导断的开关。
三、pn结的应用1.二极管pn结最基本的应用就是二极管。
二极管可以实现对电流的单向导通，广泛应用于整流电路和信号调理电路等。
2.太阳能电池太阳能电池是一种将光能转化为电能的器件。
它利用了pn结的特性，在光的作用下产生光生电压，从而产生电能。
pn结击穿电压公式
pn结击穿电压公式1. PN结击穿的类型。
- 雪崩击穿。
- 当反向电压增大到一定程度时，PN结内的电场很强，使得载流子在电场作用下获得足够大的能量，与晶体原子发生碰撞，从而产生新的电子 - 空穴对。
新产生的载流子在电场作用下又会碰撞出更多的电子 - 空穴对，这种连锁反应就像雪崩一样，导致反向电流急剧增大，发生雪崩击穿。
- 对于单边突变结（例如P^+N结，P^+表示重掺杂的P区），雪崩击穿电压V_BR的近似公式为：V_BR≈frac{ε_sE_crit^2}{2q}((N_B)/(N_D))^ - (1)/(s)，其中ε_s是半导体的介电常数，E_crit是临界击穿电场强度，q是电子电荷量，N_B和N_D 分别是基区和掺杂区的杂质浓度，s是与半导体材料和结的类型有关的常数（对于硅s = 6）。
- 齐纳击穿。
- 在重掺杂的PN结中，由于耗尽层很窄，在反向电压作用下，耗尽层中的电场非常强，能够直接将价带中的电子拉到导带，从而产生大量的电子 - 空穴对，使反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。
- 齐纳击穿电压V_Z与半导体的禁带宽度E_g、杂质浓度N等因素有关。
对于硅材料，齐纳击穿电压较低（一般小于6V左右），而雪崩击穿电压相对较高。
在实际的PN结中，当击穿电压V_BR在6V左右时，雪崩击穿和齐纳击穿可能同时存在。
2. 影响PN结击穿电压的因素。
- 掺杂浓度。
- 对于雪崩击穿，随着掺杂浓度的增加，击穿电压降低。
因为掺杂浓度增加，耗尽层宽度变窄，载流子在较短的距离内就能够获得足够的能量发生雪崩倍增。
- 对于齐纳击穿，重掺杂会使耗尽层宽度极窄，从而更容易发生齐纳击穿，即齐纳击穿电压会随着掺杂浓度的增加而降低。
- 半导体材料。
- 不同的半导体材料具有不同的禁带宽度E_g、介电常数ε_s和电子迁移率等参数。
例如，硅（Si）和锗（Ge）的禁带宽度不同，这会影响到它们的击穿电压。
硅的禁带宽度比锗大，在相同的掺杂浓度和结构下，硅PN结的击穿电压相对较高。
总结pn结
总结 pn 结引言pn 结是指由一种p型半导体和一种n型半导体组成的结构，广泛应用于半导体器件中。
本文将总结pn结的基本原理、应用领域以及常见问题与解决方法。
一、pn 结的基本原理1. 构成pn 结由p型半导体和n型半导体组成，其中p型半导体富含正电荷载流子（空穴），n型半导体则富含负电荷载流子（电子）。
2. 结电势差当p型半导体与n型半导体相接触时，由于电子和空穴的扩散和结合，形成一个带电离子层。
这一过程会导致pn 结两侧的电势差，形成电势垒。
3. 动态平衡在静止状态下，当电势垒达到平衡时，p型半导体一侧的正电荷与n型半导体一侧的负电荷形成了耗尽区。
此时，电势差阻碍了进一步的扩散和结合。
4. 正向偏置和反向偏置在正向偏置下，外加电压使得电势差减小，进一步扩大耗尽区，导致载流子的扩散和结合加剧。
这样，电流得以通过pn 结。
在反向偏置下，外加电压增大电势差，进一步增强耗尽区，阻碍电流通过。
二、pn 结的应用领域1. 整流器pn 结由于具有单向导电特性，在电子设备中被广泛应用于整流器电路，将交流电信号转换为直流电信号，从而满足电子设备对直流电的需求。
2. 发光二极管pn 结在电流通过时会发生辐射激发现象，从而产生可见光。
这一特性被应用于发光二极管（LED）的制造，用于照明、指示灯和显示屏等领域。
3. 太阳能电池当光照射到pn 结上时，光子的能量将产生电子和空穴对。
这些载流子的运动会引起直流电压，在太阳能电池中将太阳能转化为电能。
4. 双向导通二极管双向导通二极管（TRIAC）利用了pn 结的双向导通特性，可以实现双向导通的控制，广泛应用于电能调节和开关控制等领域。
三、pn 结常见问题与解决方法1. 温度效应温度的变化会影响pn 结的导电性能，导致电流的变化。
解决方法是在设计中考虑温度补偿措施，如使用温度传感器进行反馈控制。
2. 热失效在高温环境下，pn 结可能会发生热失效，导致器件损坏。
解决方法是通过散热设计、温度保护器等方式来控制温度，保护pn 结的稳定性。
pn结概念
pn结概念
PN结是半导体器件中最基本、最重要的元件之一，其概念和作用被广泛应用于半导体器件的设计和制造中。
本文将围绕PN结的概念和
形成过程展开介绍。
1. PN结的概念
PN结是由一段掺杂了杂质原子的p型半导体和n型半导体组成的结构。
p型半导体中掺杂的杂质原子一般为三价元素，如硼；n型半导
体中掺杂的杂质原子一般为五价元素，如磷。
PN结的组成中，p型半
导体的电子浓度低于杂质原子的浓度，将会形成电子空穴；n型半导体的杂质浓度远高于p型半导体，即n型半导体中有很多自由电子，形
成了载流子的集体。
2. PN结的形成
PN结的形成一般采用扩散工艺。
首先，在n型半导体表面形成一层熔融的玻璃。
然后，在玻璃上均匀地撒上少量的霰粒，霰粒中含有
硼元素，硼元素通过扩散进入到n型半导体晶片表面，形成p型半导体。
因为两种半导体的电子浓度不同，当两种半导体用金属接触在一
起时，由于电子向高浓度区扩散的趋势，会在接界面形成一个电势垒，这个电势垒就是PN结。
3. PN结的作用
PN结具有一系列的特殊性质，可以作为半导体器件的基础元件。
首先，PN结具有阻止电流反向流动的特性，大大提高了半导体器件的
稳定性。
其次，应用外加电压可以改变PN结的导电性质，使之成为电
流放大器、整流器等特殊器件。
此外，PN结还可以用于制作光电二极管、太阳能电池、发光二极管等器件，提供了半导体器件的基础技术。
总之，PN结的概念和作用在半导体器件领域是非常重要的，对于对半导体器件有兴趣或者从事相关行业工作的人员，了解和掌握PN结
的知识是必要的。
半导体物理学中的pn结
半导体物理学中的pn结半导体物理学是研究半导体材料和器件的特性及其应用的科学领域。
而其中一个核心概念便是pn结，它是一种半导体器件中常见的结构。
本文将介绍pn结的基本原理、特性和应用。
一、pn结的构成pn结由p型半导体和n型半导体直接接触形成。
p型半导体是掺入了三价杂质的半导体，如掺入硼或铝，带有多余的电子空穴。
n型半导体则是掺入了五价杂质的半导体，如掺入砷或磷，带有过剩的自由电子。
当这两种半导体相结合时，空穴和自由电子会通过碰撞重组，形成一个带电的区域，即结区。
二、pn结的工作原理在pn结中，有两个关键区域：n端和p端。
n端富含自由电子，而p端则富含电子空穴。
由于电荷差异，电子和空穴会相互扩散到对方的区域，形成漂移电流。
同时，当电子和空穴通过重组而消失时，会形成一个正电荷层和一个负电荷层。
这就是常说的耗尽区。
在平衡状态下，耗尽区的正电荷层和负电荷层正好平衡，称为开路状态。
而当外加电压施加在pn结上时，会改变耗尽区的电荷分布。
当施加的电压为正向偏置时，p端连接的电源的正极与n端连接的电源的负极，会加大耗尽区的宽度，减小耗尽区正负电荷层的高度，这就形成了导通状态。
反过来，当施加的电压为反向偏置时，p端连接的电源的负极与n端连接的电源的正极，会增大耗尽区的宽度和正负电荷层的高度，这就形成了截止状态。
三、pn结的特性1. 双向导电性：pn结在正向偏置下会导电，形成导通状态。
而在反向偏置下则会截止，不导电。
这种特性使得pn结成为一种可控制的电子器件。
2. 整流性：由于pn结的双向导电性，它可以用于整流电路。
在正向偏置下，电流可以流过pn结，而在反向偏置下则会被截止。
3. 光电效应：当光照射到pn结上时，通过光电效应，光子能量会被转化为电能。
这使得pn结广泛应用于光电器件，如太阳能电池。
四、pn结的应用1. 整流器件：如二极管和整流电路，用于将交流电转换为直流电。
2. 放大器件：如晶体管，能够放大信号，实现电子设备的放大功能。
什么是PN结和二极管
什么是PN结和二极管PN结是半导体物理学中的一个基本概念，它是由P型半导体和N型半导体接触在一起形成的结构。
在P型半导体中，空穴是多数载流子，而在N型半导体中，电子是多数载流子。
当P型和N型半导体接触时，N型半导体中的电子会向P型半导体中的空穴移动，形成大量的电子-空穴对，这些电子-空穴对称为载流子。
由于载流子的数量大大超过了原来的数量，所以形成了电荷不平衡，产生了电场，这个电场阻止了电子和空穴的进一步扩散，最终达到了一种电荷分布的平衡状态，形成了PN结。
二极管是一种基于PN结的半导体器件，它具有单向导电性。
当二极管的正极连接到高电位，负极连接到低电位时，PN结处于正向偏置状态，此时电子和空穴会大量移动，形成电流，二极管导通。
而当正极连接到低电位，负极连接到高电位时，PN结处于反向偏置状态，此时电场会阻止电子和空穴的移动，二极管截止，不形成电流。
二极管广泛应用于电子电路中，如整流、调制、稳压、信号检测等。
它们是现代电子技术中不可或缺的基本元件之一。
习题及方法：1.习题：PN结的形成过程中，为什么会产生电场？解题方法：回顾PN结的形成过程，分析P型和N型半导体接触时电荷不平衡的原因，以及电场的作用。
答案：PN结形成过程中，由于P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子大量移动，形成了电子-空穴对。
这些电子-空穴对使得PN结区域内的电荷分布不平衡，产生了电场。
电场的作用是阻止电子和空穴的进一步扩散，最终达到电荷分布的平衡状态。
2.习题：二极管在正向偏置和反向偏置状态下，分别会发生什么现象？解题方法：分析二极管的正向偏置和反向偏置过程，以及对应的电荷分布和电流情况。
答案：在正向偏置状态下，二极管的正极连接到高电位，负极连接到低电位。
此时，PN结中的电场减弱，电子和空穴大量移动，形成电流，二极管导通。
在反向偏置状态下，二极管的正极连接到低电位，负极连接到高电位。
此时，PN结中的电场增强，阻止了电子和空穴的移动，二极管截止，不形成电流。
PN 结
PN 结PN结的形成在一块N型（或P型）半导体上，掺入三价（或五价）的杂质元素，使其产生一个P型（或N型）半导体区间。
这时，在N区和P区之间的交界面附近将形成一个极其薄的空间电荷层，称为PN结。
PN结形成原理示意图交界面两侧产生多子浓度的极大差异，此差异会引起交界面两侧多子相互扩散到达对方，并与对方的多子复合。
经多子扩散后所形成的图片如下：P区靠近交界面会形成一个负离子薄层，N区靠近交界面处会形成一个正离子薄层。
交界面两侧这些薄层称为空间电荷区。
由于多子扩散，这一区域缺少载流子，故也称耗尽层。
但并不是没有载流子，只不过是它相对于中性区而言，载流子浓度很小，小的可以忽略。
在两种半导体之间存在电位壁垒，对多子向另一侧扩散起阻碍作用，称为势垒或位垒。
扩散电流和漂移电流的形成接近PN结的少子受内电场的作用而被加速，向另一侧漂移，形成漂移电流漂移电流和扩散电流大小相等，方向相反，达到动态平衡少数能量大的多子克服内电场产生的电场力扩散到另一侧，形成扩散电流不对称的PN结当N区和P区的掺杂浓度相等时，两侧空间电荷区的宽度相等。
当P区和N 区的掺杂浓度不相等时，掺杂浓度高的一侧离子电荷密度大，空间电荷区的宽度较窄；掺杂浓度高的一侧，离子电荷密度低，空间电荷区的宽度较宽。
PN结的正偏和反偏P型半导体接负极，N型半导体接正极，PN结反偏。
反偏时，外电场和内电场方向相同，外电场加强了内电场的势垒作用，势垒增加，有利于少子漂移，不利于多子扩散。
所以PN结反偏时，PN结变宽，呈现为高电阻，处于反向截止状态。
P型接正极，N型接负极时，PN结正偏。
此时，外电场和内电场的方向相反，外电场削弱了内电场，势垒下降，势垒下降有利于多子扩散，使大量多子扩散通过PN结，形成大的正向电流，PN结呈现为低电阻，处于导通状态。
一部分多子在扩散过程中，与空间电荷区的离子中和，使PN结变窄。
NPN晶体管中应用到的PN结原理在发射区内，掺杂浓度较高，含有更多的多子。
半导体器件物理学习指导：第二章 PN结
型区扩散。由电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和
受主离子建立了一个电场。这一电场是沿着抵消载流子扩 散趋势的方向
在热平衡时，载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动
相平衡，电子和空穴的扩散与漂移在N型和P型各边分别留
下未被补偿的施主离子和受主离子N d和
N
a
。结果建立了
两个电荷层即空间电荷区。
i
反偏产生电流在 P N 结反向偏压的情况下，空间电荷区 中 np ni2 。于是会载流子的产生，相应的电流即为空间电 荷区产生电流。
隧道电流：当P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可 能穿透(代替越过)势垒而产生电流，这种电流叫做隧道电流
产生隧道电流的条件： （1）费米能级位于导带或价带的内部； （2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率； （3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另
雪崩击穿：在N区（P区）的一个杂散空穴（电子）进入空 间电荷层，在它掠向P区（N区）的过程中，它从电场获得 动能。空穴（电子）带着高能和晶格碰撞，并从晶格中电 离出一个电子以产生一个电子空穴对。在第一次碰撞之后， 原始的和产生的载流子将继续它们的行程，并且可能发生 更多的碰撞，产生更多的载流子。结果，载流子的增加是 一个倍增过程，称为雪崩倍增或碰撞电离，由此造成的PN 结击穿叫做雪崩击穿。
Ae-wn Lp K2 = - 2sh wn - xn
Lp
（4）
Aewn Lp K1 = 2sh wn - xn
Lp
（5）
将（4）（5）代入（1）：
sh wn - x
pn
-
pn0
=
pn0 (eV
VT
- 1) sh
Lp wn - xn
形成pn结的方法
形成pn结的方法一、扩散法。
1.1 热扩散。
热扩散是形成pn结较为传统且常用的方法呢。
简单来说，就是把一种杂质原子，比如说磷原子，扩散到一块本征半导体材料里，像硅片就很常用。
这就好比一群外来者慢慢融入一个原本平静的小社区。
我们通过加热这个硅片，让磷原子变得活跃起来，它们就会向硅片内部扩散。
如果我们在硅片的一边扩散磷原子（这会形成n型半导体），另一边扩散硼原子（会形成p型半导体），在中间的区域呢，就会形成pn结啦。
这过程就像两种不同文化在中间交融，形成一个独特的边界地带。
这可是个“慢工出细活”的事儿，需要精确控制温度、时间和杂质浓度等参数，就像厨师做菜，调料的量和火候都得恰到好处，不然做出来的“菜”就不对味儿了。
1.2 离子注入法。
离子注入法呢，是一种比较现代的技术手段。
我们把要注入的杂质离子，像硼离子或者磷离子，先加速到很高的速度，然后像射箭一样射向半导体衬底。
这就有点像用高速子弹打入一块“阵地”。
离子注入的好处是能够精确地控制杂质的剂量和注入的深度，就像狙击手能精准地击中目标一样。
不过呢，这个过程也会对半导体晶格造成一定的损伤，就像子弹打入物体肯定会留下痕迹。
所以在离子注入之后，往往还需要进行退火处理，来修复这些损伤，让半导体恢复到比较理想的状态，这就像是给受伤的士兵疗伤，让他们重新回到战斗状态一样。
二、外延生长法。
2.1 气相外延。
气相外延是在一种衬底材料上，通过气相反应来生长出另一种半导体材料，从而形成pn结。
想象一下，就像是在一块已有的蛋糕胚（衬底）上，用蒸汽（气相反应物质）再做出一层不同口味的蛋糕（另一种半导体材料）。
例如，我们可以在硅衬底上，通过气相外延生长出砷化镓材料。
这个过程中，气体的流量、温度和压力等条件都非常关键，就像盖房子时，建筑材料的供应、天气状况和地基的稳固性都影响着房子盖得好不好。
如果这些条件控制不好，可能生长出来的材料就不符合要求，就像房子盖歪了一样。
2.2 液相外延。
pn结
张慧
一、PN结及形成 结及形成
型半导体和N型半导体的 型半导体的交 一块单晶半导体中 ，P 型半导体和 型半导体的交 界面附近的过渡区称为PN结 界面附近的过渡区称为 结。 P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅 型半导体（ 指 ）：由单晶硅 型半导体 ，带正电的）： 通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导 通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成， 三价元素组成 体内部形成带正电的空穴。 体内部形成带正电的空穴。 正电的空穴 N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅 型半导体（ 指 ）：由单晶硅 型半导体 ，带负电的）： 通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成， 通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导 五价元素组成 负电的自由电子。 体内部形成带负电的自由电子 体内部形成带负电的自由电子。
LED发光的原理： 发光的原理： 发光的原理 半导体晶片由两部分组成，一部分是 型 半导体晶片由两部分组成，一部分是P型 半导体，在它里面空穴占主导地位， 半导体，在它里面空穴占主导地位，另 空穴占主导地位 一端是N型半导体，在这边主要是电子 电子。 一端是 型半导体，在这边主要是电子。 型半形成一个 但这两种半导体连接起来的时候， P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就 结 当电流通过导线作用于这个晶片的时候， 会被推向P区 区里电子跟空穴复合 会被推向 区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光 区里电子跟空穴复合， 子的形式发出能量。 子的形式发出能量。 光的波长也就是光的颜色，是由形成 结的材料决定的 结的材料决定的。 光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
PN结正偏(UP>UN )时 导通 结正偏(U 结正偏 PN结反偏(UP<UN )时 截止 结反偏(U 结反偏
PN结
二、 PN结的单向导电特性 结的单向导电特性
PN结的单向导电性只有在外 结的单向导电性只有在外 加电压时才会表现出来
（一）、PN结加正向电压 ）、 结加正向电压 Ｐ－正 Ｎ－负 正向电压或正向偏置(简称正偏) 简称正偏 Ｐ－正, Ｎ－负。正向电压或正向偏置 简称正偏
耗尽区
扩散运动大于漂移运动 多数载流子形成的扩 散电流起支配作用
ｊ≈ＣB。
五、PN结的温度特性 结的温度特性
PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即 结特性对温度变化很敏感， 结特性对温度变化很敏感 为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移。 温度升高，正向特性左移，反向特性下移。
i T
具体变化规律是： 具体变化规律是： •温度每升高 ℃ ， 反向饱 温度每升高10℃ 温度每升高
－UBR 0 T u
和电流I 增大一倍。 和电流 S增大一倍。 •温度升高反向击穿电压降低 温度升高反向击穿电压降低
当温度升高到一定程度时， 当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的 少子浓度有可能超过掺杂多子浓度， 少子浓度有可能超过掺杂多子浓度，使杂质半导体 变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了 结就不存在了。 变得与本征半导体一样，这时 结就不存在了。 因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作 结正常工作， 因此，为了保证 结正常工作 温度有一个限制，对硅材料约为(150~200)℃，对锗 温度有一个限制，对硅材料约为 ℃ 材料约为(75~100)℃。 材料约为 ℃
关键在于耗尽层的存在
PN结的伏安特性 结的伏安特性
I
伏安特性方程
ID UBR UB
O U
I D = I S (e
UD UT
− 1)
加正向电压时， 加正向电压时，UD只要大 几倍以上， 于UT几倍以上，I D ≈ I S eU D / U T 加反向电压时， 加反向电压时，|UD|只要大于 只要大于 UT几倍以上，则 ID≈–IS 几倍以上，
pn结的主要工艺流程
pn结的主要工艺流程pn结可是半导体器件里超重要的部分呢。
那它的工艺流程啊，就像一场奇妙的魔法之旅。
一、原材料准备。
这就像是做菜之前得先把食材准备好一样。
对于pn结，我们首先得有合适的半导体材料。
常见的有硅啊，锗啊这些。
这些材料得是高纯度的，就像我们要找最最纯净的面粉来做高级点心似的。
比如说硅，纯度可能得达到99.9999%以上呢。
为啥要这么纯呢？因为一点点杂质都可能会影响后面pn结的性能呀。
这些材料最初可能是块状或者锭状的，然后要经过切割、研磨等工序，把它们变成薄片，这个薄片就是我们构建pn结的基础啦。
二、掺杂过程。
这可是pn结形成的关键一步哦。
就像给平淡的生活加点料一样，我们要给半导体材料掺杂。
如果要形成p型半导体，我们就会掺入像硼这样的三价元素。
想象一下，硼原子就像一个个小捣蛋鬼，跑到硅原子的队伍里，它们会产生空穴。
这个空穴就像是一个等待填充的小坑洼，在电子的世界里可是很重要的角色呢。
而如果要形成n型半导体，那就会掺入像磷这样的五价元素。
磷原子到了硅原子的大家庭里，就会多出来一些电子，这些电子就像是一群活泼的小精灵，到处跑来跑去的。
这个掺杂的过程啊，可不是随随便便把杂质扔进去就行的。
它需要很精确的控制，就像调配魔法药水一样，多一点少一点都不行。
这个过程可能会用到扩散法或者离子注入法。
扩散法就像是香味在空气中慢慢散开一样，把杂质慢慢扩散到半导体材料里面。
离子注入法呢，就像是用小针管把杂质精准地注射进去，这个方法能更精确地控制杂质的浓度和分布。
三、光刻工序。
光刻这个词听起来就很酷炫，其实也很有趣呢。
这就像是在半导体材料这个大画布上画画一样。
我们会先在材料表面涂上一层光刻胶，这个光刻胶就像是画布上的颜料。
然后呢，我们会用带有特定图案的掩膜版来遮挡光线。
就像我们用模具来做饼干，只能让我们想要的形状被印出来一样。
紫外线或者其他射线就像小画笔，照射到光刻胶上。
被照射到的光刻胶会发生化学变化，然后经过显影这个步骤，就像冲洗照片一样，把我们不需要的光刻胶去掉，留下我们想要的图案。
P N 结介绍
一、PN结的形成 PN结的形成
电子、 电子、空穴 当导体处于热力学温度0 当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当 导体中没有自由电子。 温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高， 温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价 电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电， 电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为 自由电子。 自由电子。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 本征激发 热激发 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等， 原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等， 人们常称呈现正电性的这个空位为空穴 空穴。 人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。
一、PN结的形成 PN结的形成
P + + + N + + + + + + PN结的接触电位： PN结的接触电位： 结的接触电位 (1).内电场的建立 内电场的建立， PN结中产生电位差 结中产生电位差。 (1).内电场的建立，使PN结中产生电位差。 从而形成接触电位V 又称为位垒) 从而形成接触电位Vϕ(又称为位垒)。 动态平衡时：扩散电流=漂移电流。 (2). 动态平衡时：扩散电流=漂移电流。 PN结内总电流=0。 PN结的宽度一定 结内总电流=0 PN结内总电流=0。 PN结的宽度一定 。 (3).PN结根据耗尽层的宽度分为对称结与 (3).PN结根据耗尽层的宽度分为对称结与 不对称结： 不对称结： 对称结—两个区（ 区和N 对称结—两个区（P区和N区）内耗尽层 相等（杂质深度相等） 相等（杂质深度相等） 不对称结— 不对称结—杂质浓度高的侧耗尽层小于杂 质深度低的一侧，这样的PN PN结称为不对 质深度低的一侧，这样的PN结称为不对 称结
PN结介绍
PN结介绍一．什么是PN结采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结具有单向导电性。
一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
PN结有同质结和异质结两种。
用同一种半导体材料制成的PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。
二、PN结的单向导电性PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。
如果外加电压使：PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏；PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。
符号：电路中的画法：三、PN结的击穿特性当反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增加，这种现象称为PN结的击穿，反向电流急剧增加时所对应的电压称为反向击穿电压，如上图所示，PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种。
1、雪崩击穿阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子—空穴对新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子—空穴对，如此连锁反应，使阻挡层中的载流子数量急剧增加，象雪崩一样。
雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，阻挡层宽，碰撞电离的机会较多，雪崩击穿的击穿电压高。
PN结简介
PN结PN结（PN junction）。
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结具有单向导电性。
P是positive的缩写，N是negative 的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。
一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
PN结有同质结和异质结两种。
用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
PN结（PN junction）制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。
在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。
在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。
N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。
当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。
空穴和电子相遇而复合，载流子消失。
因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。
P 型半导体一边的空间电荷是负离子，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。
正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡。
在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。
如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。
PN结
PN结PN结（PN junction）采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结具有单向导电性。
P是positive的缩写，N是negative禁带宽度(Band gap)是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。
要导电就要有自由电子存在。
自由电子存在的能带称为导带（能导电）。
被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。
锗的禁带宽度为0.66ev；硅的禁带宽度为1.12ev；砷化镓的禁带宽度为1.46ev。
禁带非常窄就成为金属了，反之则成为绝缘体。
半导体的反向耐压，正向压降都和禁带宽度有关。
的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。
一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
PN结有同质结和异质结两种。
用同一种半导体材料制成的PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。
在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。
在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。
N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。
当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。
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J p p p
或
对于平衡pn结 Jn、Jp 均为零。因此
dE F dx
0
E F 常数
当电流密度一定时，载流子浓度大的地方，EF随位置变化小， 载流子浓度小的地方，EF随位置变化较大 空间电荷区中能带发生弯曲，这是空间电荷区中电势 能变化的结果，空间电荷区也叫势垒区。
4. pn结接触电势差
小注入时 d Ex dx 很小可以略去，n型扩散区 E x 0
程
故
p n p n0 d 2 p n Dp 0 2 dx p
通解为 p n (x) p n (x) p n0 Ae
因x
x Lp
Be
x Lp qV k 0T
时 p n () p n0 , x x n时p n (x n ) p n0e
N ( x) N A N ( x) N D
单边突变结
（2）扩散法
扩散结中杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结
NA ND
扩散结
线性缓变结近似
突变结近似
扩散结
x xj x xj
N A ND ND N A
扩散结中，若杂质分布可用x=xj处的切线近似表示，则称 为线性缓变结
VD pn结接触电势差，q VD pn结的势垒高度
势垒高度正好补偿了n区和p区费米能级之差，使E F处处相等
qVD E Fn E Fp
E Fn Ei k 0T E Fp Ei n p0 n i e k 0T
n n0 n i e
ln
n n0 n p0
1 k0T
(E Fn E Fp ) 2
qV
正向偏压下pn结的费米能级
反向偏压下pn结的费米能级
2. 理想pn结模型及其电流电压方程式
理想pn结模型 (1) 小注入
p n0
注入少子比平衡多子少得多。
(2) 突变耗尽层
外加电压和接触电势差都落在耗尽层 上，耗尽层中 的电 荷是由电离杂质组成，耗尽层外是电中性的。注入 少子 在P区和N 区是纯扩散运动。 (3) 通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层 中载流子的产生与复合。
p
n
负空间电荷区
结
正空间电荷区 自建电场 漂移
扩散
空间电荷区
热平衡状态下的pn结 ：
扩散运动和漂移运动达到动态平衡
空间电荷区宽度一定
3. pn结能带图
平衡时pn结中费米能级处处相等，标志着每一种载流子的
扩散电流和漂移电流互相抵消，没有电流流过pn结。
电子电流
J n nq n E qDn
2 r 0 VD－V X D＝x n = 当有外加电压V时 q ND 2 r 0 VD－V X D＝x P = q NA
（p+n）
（n+p）
（3）突变结势垒电容
CT =A
r 0
XD
A：pn结面积
X D：势垒宽度
对单边突变结 CT = A 对 p + n: N B＝N D
1. 非平衡状态下的pn结
(1) 外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 正向偏压时 ( p 区接正，n 区接负 )
外加电场与内建电场方向
相反，减弱了势垒区中的
电场强度，使势垒区的宽 度减小高度降低
正向偏压下pn结势垒的变化
正向偏压时pn结 中电流的分布
反向偏压下pn结势垒的变化
（2）外加直流电压下，pn结的能带图
k 0T
1 dE F dEi 则 J n nq n [ E ( )] q dx dx
本征费米能级Ei的变化与电子电势能-qv（x）的变化一致，所以
dE i dV(x) q q E dx dx
J n n n 同理
dE F dx
或 dE F dx
dE F dx
Jn n n dE F dx Jp p p
qV k 0T
qD p p n0 Lp
J J s [e
1]
此为理想pn结模型的电流电压方程，又称肖克莱方程
结论：
1. pn结具有单向导电性，正向偏压下，正向电流 密度随正向偏压呈指数关系迅速增大。反向电流 密度为常量，与外加电压无关。
正向偏压下 则
e
qV k 0T
1
J = JS eBiblioteka qV k 0T qV k 0T
J p (x n )
J n ( x p )
(4) 将两种载流子的扩散电流密度相加，得理想pn结模型的电 流电压方程式
J J p Jn
讨论：①
n p n ie
En F Ei k 0T
p En E F F 2 k 0T
pp n ie
Ei -E p F k 0T
n p p p ni e
线性缓变结的势垒电容
2 2 q j r 0
C T＝A 3
12(VD -V)
4. 扩散电容
(n p0 L n +p n0 L p ) CD =[Aq ]e k 0T
2
qV k 0T
扩散电容随正向偏压按指数关系增加，
所以在大的正向偏压时，扩散电容便
起主要作用
§6.4 pn结击穿
pn 结击穿：当pn结施加的反向偏压增大到某一数值 时，反向电流密度突然开始迅速增大的现象 击穿现象中，电流增大的基 本原因不是由于迁移率的增 大，而是由于载流子数目的 增加 击穿现象：
r 0 q NB
2 ( VD - V ) 对n + p: N B＝ N A
a. 突变结势垒电容和结的面积以及轻掺杂一边的
杂质浓度的平方根成正比
b. 突变结势垒电容和电压（VD-V）的平方根成反比
3.线性缓变结的势垒电容
12 r 0 (VD -V) q j
X D＝3
j :杂质浓度梯度
正偏时势垒区变窄
q NA
xp = q ND xn = Q
NA
则
xp = NDxn
即势垒区内正负空间电荷区的宽度 和该区的杂质浓度成反比
正偏时pn结载流子变化
（2）突变结的势垒宽度
X D＝ VD ( + 2 r 0 q )( N A +N D NA ND )
对p n结 N A N D x n x p 所以 X D x n VD = + qN D X D 2 r 0 2 = 2 qN D x n 2 r 0 X D＝x n = 2 r 0 VD qN D
因为 n n0 N D，n P0 n i / N A
VD
1 q
(E Fn E Fp )
k 0T q
(ln
ND NA ni
2
)
VD和pn结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关 T一定时，突变结两边掺杂浓度越高，VD越大；Eg越大，
ni越小， VD也越大
5. pn结的载流子分布
JT
3+
2
q(VF Vg0 )
e
k 0T
3.影响pn结电流电压偏离理想方程的各种因素 偏离情况： （1）正向电流小时，理论 计算值比实验值小； （2）正向电流较大时曲线c 段关系为J ~ eqV/2k0T
（3）在d段J~V不是指数关
系，而是线性关系。 （4）反向电流比理论计算 值大得多。
引起上述差别的原因： （1）表面效应 （2）势垒区中的产生及复合 （3）大注入条件 （4）串联电阻效应
qV ( x)
电势
电势能
同一种载流子在势垒 区两边的浓度关系服 从波尔兹曼分布
ND Ecn Ex 0.1 n( x) 50 p( x) 1010 N A
通常把势垒区称为耗尽层， 载流子浓度很小，空间电 荷区密度就等于电离杂质 浓度
平衡pn结中的载流子分布
§6.2
pn结电流电压特性
(4) 玻尔兹曼边界条件
在耗尽层两端，载流子分布满足波尔兹曼统计分布
电流密度计算：
(1) 根据EF计算势垒区边界处注入的非平衡载流子浓度 n p 由 计算 np ( x) pn ( x) n p n E Ep
F F
(2) 以(1)作为边界条件，解扩散区中载流子的扩散方程，得非 平衡载流子的分布 (3) 将上步结果代入扩散方程，算出扩散流密度后，再算出少 数载流子的电流密度
因
dn dx
Dn k 0T n / q, 则 k 0T d J n nq n [ E (ln n )] q dx
(E F E i ) /(k 0T)
又因为
n n ie
，所以
ln n ln n i d dx (ln n)= 1
E F Ei k 0T [ dE F dx dEi dx ]
注入n区边界的非平衡少子浓度为
p n(x n )= p n( x n ) - p n0 p n0 [e
qV k 0T
-1]
② 稳态时，空穴扩散区中非平衡载流子的连续性方
d E x p n pn0 d 2 p n dp n Dp p E x p p n 0 2 dx dx dx p
ND N A j (x x j )
j 是x=xj处的切线的斜率，称为杂质浓度梯度 高表面浓度的浅扩散结 j 很大，可用突变结来近似
合金结和高表面浓度的浅扩散结（p+n结或n+p结）一般可认为是 突变结。而低表面浓度的深扩散结，一般可认为是线性缓变结。
2. 空间电荷区
自建电场
qD n n p0
[e
qV k 0T
④ 通过 pn 结的总电流
J J n (x p ) J p (x p ) J n ( x p ) J p (x n )